基于LabVIEW 和PXI技術(shù)的核電站數字地震監測系統

為保證核電站安全運行和發(fā)生地震后對核電站安全性能的評價(jià)，根據核電站有關(guān)法規的規定，核電站必須設置地震儀表，以檢測地面運動(dòng)和抗震Ⅰ類(lèi)構筑物等的響應運動(dòng)。

應用美國NI 公司LabVIEW 系統開(kāi)發(fā)平臺(包信號處理軟件)、先進(jìn)的PXI 技術(shù)和地震動(dòng)測量傳感器，研制成功了基于虛擬儀器的核電站數字地震監測系統。由于LabVIEW 強大的數據處理能力，豐富的數據表達方式和高效率，有力地支持和加快了系統的研制速度，在較短時(shí)間內，研制成功了核電站數字地震監測系統。該監測系統地震信號處理功能強大，信息表達豐富、多樣、人機界面友好。它的主要功能是，實(shí)時(shí)監測地震加速度隨時(shí)間變化過(guò)程，并判別真偽地震，當地震信號超過(guò)報警閾值時(shí)，顯示、記錄地震加速度峰值并向主控室發(fā)出報警信號;采集記錄地震加速度反應時(shí)程數據，計算基礎地面設備加速度響應譜和設計響應譜，并與理論設計響應譜進(jìn)行比較，以驗證抗震I 類(lèi)構筑物和設備的抗震設計是否合理，或判別是否需要對某些物項實(shí)施地震后檢查。

基礎地面設備地震動(dòng)測量原理

設一基礎地面設備的單自由度模型如圖1所示：

對上述方程(7)、(8)和(9)，應用兩階牛頓向前插值公式進(jìn)行數值計算，最后獲得地面設備的加速度響應譜曲線(xiàn)。

按照ASME規范的規定，根據計算所得的加速度響應譜曲線(xiàn)，按頻率± 15% 拓寬加速度響應譜峰值點(diǎn)，然后平行連接生成相應的設計響應譜曲線(xiàn)。

核電站數字地震監測系統

核電站數字地震監測系統 ，其主要功能為：

(1)實(shí)時(shí)監測地震加速度隨時(shí)間的變化過(guò)程，并判別真偽地震信號;當地震信號超過(guò)報警閾值時(shí)顯示、記錄地震加速度峰值并向主控室發(fā)出聲光報警信號，供值班人員決策是否發(fā)布警報或者停堆;

(2)采集、記錄基礎地面地震加速度反應時(shí)程數據，算出地面設備的加速度響應譜和設計響應譜，以了解和驗證抗震Ⅰ類(lèi)構筑物和設備的抗震設計是否合理，或判斷是否需要對某些物項實(shí)施震后檢查;

(3) 顯示和打印采集到的地震加速度信號和分析獲得的數據、圖形，并存儲歸檔。

系統構成

地震監測系統由美國NI 公司的LabVIEW6i、PXI-1010、PXIPCI18335、SCX1102,PXI3031E,MXI-3 、Signal Processing Suite、三軸向加速度傳感器、工業(yè)控制計算機、激光打印機構成(圖3)。

數字地震監測系統平臺

● 數字地震監測系統面板

數字地震監測系統平臺面板見(jiàn)圖4 和圖5 。該系統平臺采用LabVIEW 的標簽翻頁(yè)功能，監測系統的功能一目了然，功能之間的相互關(guān)系層次清晰，選用方便。例如圖4 的面板所示，該監測系統正處在地震監測功能下，此時(shí)正測量和顯示自由場(chǎng)，- 15m 和11m各基礎地面三個(gè)方向上的加速度時(shí)程，同時(shí)顯示加速度的最大和最小值。圖5 顯示的是阻尼ξ為2%時(shí)的自由場(chǎng)、-15m和11m處基礎地面上的設備的計算地震加速度響應譜(地震信號取自同濟大學(xué)地震試驗臺模擬地震信號)。

由LabVIEW 和信號處理包完成的地震信號分析軟件主要功能是：地震信號的調理、采集、存儲、真偽地震的判定和報警;設備計算響應譜和設計響應譜的生成以及設計響應譜與理論響應譜的比較，最后輸出完整的地震數據文件。

下面舉例說(shuō)明地震信號分析軟件中的聯(lián)合時(shí)頻分析和小波分析的應用。

● 聯(lián)合時(shí)頻分析

對于地震信號的分析，人們除了要知道地震發(fā)生時(shí)的地震動(dòng)加速度幅值和頻率外，還需要知道地震發(fā)生時(shí)期，地震動(dòng)頻率隨時(shí)間的變化，也就是需要對地震信號進(jìn)行聯(lián)合時(shí)頻分析，以得到地震動(dòng)頻率與時(shí)間的關(guān)系。我們應用LabVIEW 的聯(lián)合時(shí)頻分析軟件包，使用同濟大學(xué)地震試驗臺模擬地震信號，得到了地震動(dòng)頻率D時(shí)間關(guān)系，圖6 至圖7 是用STFT 和ConeShaped 兩種算法得到的分析結果，從圖中可以看到，約在0-20 秒時(shí)間范圍內，地震動(dòng)中心頻率大約為1.5HZ，約在8 秒時(shí)，地震動(dòng)頻率約為3.0Hz。

● 小波分析

自1986 年以來(lái)，小波分析得到了迅速的發(fā)展，其應用也逐漸地變得越來(lái)越廣泛，其在噪聲消除，微弱信號的提取和圖象處理等方面也取得超乎尋常的成果。顯然，小波分析也是地震信號分析的極為有用的工具.我們應用LabVIEW 的“Wavelet and Filter BankDesign”軟件包,對上述地震信號作高通與低通濾波分解，圖8(a)是原始數據，圖8(b)是重構信號，(c)是高通濾波后的信號，(d)是低通濾波后的地震信號。應用小波分析技術(shù)，將信號中的高頻和低頻部分進(jìn)行“細化和放大”，低通濾波后的地震信號(d)更加清晰。

結論

本文應用美國NI 公司的LabVIEW 和PXI 等先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)，在較短時(shí)間內，研制成功了基于虛擬儀器的核電站數字地震監測系統。該核電站數字地震監測系統集地震信號計算機數據采集和處理于一體，信號處理量大，數據表達直觀(guān)、多樣化。核電站數字地震監測系統的研制成功，有力地支持了中國核電站的發(fā)展。